超高集積・超広帯域光ネットワーク...超高集積・超広帯域光ネットワーク研究開発法人産業技術総合研究所電子光技術研究部門／データフォトニクスプロジェクトユニット

超高集積・超広帯域光ネットワーク

研究開発法人産業技術総合研究所

電子光技術研究部門／データフォトニクスプロジェクトユニット

並木周

1

本日の講演内容

• ポストムーア時代に目指すべき光ネットワーク– データセンターの進展とディスアグリゲーション– エクサスケール光ネットワーク

• 基礎検討状況– 光スイッチ– トランシーバ– 波長セレクタ– ネットワーク制御方式

• 研究開発の方向性– シリコンフォトニクス・ファンドリについて– エコシステム構築に向けた取り組み

2 2016 6 20 IMPULSE年月日シンポジウム光ネットワーク並木

研究体制：データフォトニクスプロジェクトユニット

• 電子光技術研究部門と他部門を跨った垂直融合のための投影組織• 電子光技術研究部門

– 光ネットワーク技術G（井上崇GL、他６名）• 光伝送技術：設計、評価• 光ネットワーク技術：アーキテクチャ、実装

– 光パスプロセッサG（池田和浩GL、他４名）• シリコンフォトニクス光スイッチ

– シリコンフォトニクスG（山田浩治GL、他５名）• シリコンフォトニクス・トランシーバ技術

– インタコネクト・フォトニクスG（山本宗継GL、他4名）• オンボード・フォトニクス技術、集積型光コム発生

– 3次元フォトニクスG（榊原陽一GL、他3名）• ３次元加工プロセス、機能デバイスへの応用

• 情報技術研究部門– サイバーフィジカルクラウド研究G（高野了成GL、他１名）

• 人工知能研究部門– 人工知能クラウド研究チーム（1名）


IoTビッグデータ：情報化から知識化社会へ

2016 6 20 IMPULSE年月日シンポジウム光ネットワーク並木4

ハイパフォーマンスサーバー

エクサスケールスイッチ

IoT センサーネットワーク

AI ベースドマニュファクチャリング

リアルタイムセキュリティ

ファインヘルスケア

HP-DC

ハイパフォーマンスデータセンタ（HP-DC)（スパコン級計算能力で低電力なDC）が必要

従来ボトルネックを回避する新しいコンピューティング

HP-DC





超高精細映像ネットワーク

無数の情報の巨大な流れ

（フロー）とそのリアルタイム・ビッグデータ処理の実現

3つのボトルネック- ロジックI/O- スイッチ- トランシーバ

ディスアグリゲーテッドHPCサーバー

ディスアグリゲーテッドエッジサーバー

ディスアグリゲーテッドエッジサーバー

DC内外の広帯域ネットワーク

５G・FTTH

５G・FTTH

大規模

光スイッチ技術

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2014 2015 2016 2017 2018 2019

Data center to user Data center to data center Within data center

EB/年

年

データセンターが扱う情報量

Source: Cisco Global Cloud Index, 2013–2018

データセンターを中心とした、情報通信インフラの再編が進む

従来スイッチ技術のさらなるスケールは困難

• Googleデータセンタースイッチ技術の推移：2030年には、エクサスケールへ– 既存技術の延長では、消費エネルギーは、ギガワット（GW）程度となってしまう

>>260MW：全世界のGoogle DCs（10～14か所）

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035Agg

rega

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(Tbp

s)≒

Ener

gyC

onsu

mpt

ion

(kW

)

Year

DEVELOPMENT OF GOOGLE DATACENTER SWITCH SYSTEM Exabitには

GigaW必要

ExabitをMWで

IP Router ~ CMOS性能あたりの消費電力▲10～12%/yr.

C. Lange, et. al., IEEE JSTQE, vol. 17, no.2, pp. 285-295, March/April, 2011


計算機のさらなるスケールが困難に

• Top500に見る傾向 → 並列化の限界

• メモリーウォールと、、• ネットワークがボトルネックに

Perfo

rman

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Log

sca

le

Year2000 2020

Gap

Perfo

rman

ce

並列度

２．Network Wall

新技術?？


ディスアグリゲーションへの期待

• 従来型サーバー・アーキテクチャ– ”All-in-one” CPU Blade Server → 無駄が多く、スケールしない。

• ディスアグリゲーテッド・アーキテクチャ– 各機能ブロックを分離し、広帯域光インターコネクトで接続。

→ 無駄のないパワフルなシステム。– ボード間・ラック間の通信容量が巨大化– 光スイッチの導入は必至– 問題は、どうやって最適運用するか？


CPUプール

メモリプール

ストレージプール

GPUプール

ディスアグリゲーテッド・アーキテクチャ

ネットワーク

・・・消費電力

・・・

消費電力

計算性能 ExaFLOPS

・・・

計算性能 ExaFLOPS

CPUオフロードによる平均電力削減

従来型

ディスアグリゲーション

ディスアグリゲーションを司る、新しいコンピューティング

8

DPFs DPCsデーターフロープランニングモニタリング

Flow OSCPU GPU 新原理CPU FPGA 要素プロセッサ

メモリメモリメモリメモリメモリ

光スイッチ

ストレージクラスメモリ

光ネットワーク

フローセントリック・コンピューティング

アプリケーション処理環境

DPF: Data Processing FunctionDPC: Data Processing Component

光ネットワーク

データの流れを優先したアーキテクチャーにより、実時間データ処理を性能保証ディスアグリゲーションに基づき、超高速光ネットワークと大容量ストレージクラスメモリを活用データセンタ全体を一つのオペレーティングシステム(OS)で効率的に運用・管理

2016 6 20 IMPULSE年月日シンポジウム光ネットワーク並木

Switches: photonics vs. electronics

Optical switches Electrical SwitchesType of switching Circuit switching Packet switchingGranularity Coarse Fine and flexibleBandwidth upgradability Transparent > THz Transceivers, LSI ~ 100GPhysical I/F Optical connectors TransceiversEnergy scaling < W/port 0.2 nJ/bit (Infiniband)

6 nJ/bit (IP router)Energy consumptionfor 100,000 ports x 10Tbps

~ 1 MW > 0.2 GW (∝Infiniband)

Scalability issue Number of ports Moore’s lawQoS Physically guaranteed DependsControl plane Detached from data plane Embedded in data planeLatency (Start up) ~ sub μs - s < 500 ns per hopLatency (Transmission) ~ 0 (speed of light) < 500 ns per hop

Hybrid use is inevitable!2016 6 20 IMPULSE年月日シンポジウム光ネットワーク並木9

Let’s talk about Exa Scale..• One of Amdahl’s laws says:

– You need ~ 1 bit/s per FLOPS– Then, we need

~ Exa bit/s for Exa FLOPS※TOP500では、< 0.08b/F※Post-Petaでは、さらに小さくなる

• Bandwidth vs. Radix– 100Gbps, 10M nodes?– 1Tbps, 1M nodes?– 10Tbps, 100k nodes?– 100Tbps, 10k nodes?


110

1001000

10000100000

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1995 2005 2015 2025 2035

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s)≒

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onsu

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(kW

)

Year

DEVELOPMENT OF GOOGLE DATACENTER SWITCH SYSTEM

http://www.theplatform.net/2015/06/19/inside-a-decade-of-google-homegrown-datacenter-networks/

Ebps

Pbps

Tbps

10

光トランシーバ、インタコネクト速度の推移

• 2030年頃には、~10Tbpsへ


0.1

1

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100

1000

10000

1990 2000 2010 2020 2030

Spee

d (G

bps)

年

Ethernet Infiniband (12x)

http://www.infinibandta.org/content/pages.php? pg=technology_overviewhttp://www.ethernetalliance.org/subcommittees/ roadmap-subcommittee/

10万ポートのための、多段Clos Networks

n x k switchm pieces

m x m switchk pieces k x n switch

m pieces

12

n

…

12

k

…[1]

12

n

…

12

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…[2]

12

n

…

12

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… [1]

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… [2]

12

n

…

12

k

… [m]

…

I/O p

ort c

ount

:N

= n

x m

Hierarchyorder

# of hops 3D MEMS Si-Photonics PLC

0 1 512 32 81 3 131,072 512 322 9 131,072 512

n2/2

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n x k switchm pieces

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…

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…

12

k… [m]

…

I/O p

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x m


産総研のシリコンフォトニクス光スイッチ開発状況


小型、低ロス、低クロストークのための設計指針シリコン細線導波路（ただしTMモード）全て方向性結合器で構成熱光学効果による位相シフタ PILOSSトポロジ

＜これまで＞32x32までのポート数拡張を実証（1st sample）光SWチップの作製技術・実装技術にメド＜今後＞製品化を目指して「使える」スイッチを目指す光学設計の最適化、制御回路との一体化

10mmRecord-small 8x8

FY2013

FY2014Record-large port

count 32x32

45-nm CMOS foundry process (SCR)

OFC2015

ECOC2013 PDP

FY 2015Design

optimization & test;Control circuit & program

Standard rack;Clos network SW

In-house process(e-beam litho.)

FY2017

FY 20168 x 8 & 32 x 32 SW card

産総研「VICTORIES拠点」で要素技術開発を実施

http://www.aist-victories.org/

14

32×32 シリコンフォトニクス・スイッチ

世界最大規模のシリコンフォトニクス素子マッハツェンダスイッチ1024個、マイクロヒータ2048個、導波路交差961個を単一チップ上に集積チップサイズは石英PLCの1/40以下

K. Tanizawa et al., Opt. Express 23, 17599 (2015).

年月日シンポジウム光ネットワーク並木2016 6 20 IMPULSE

25 mm

11 mm

Path Independent LOSS (PILOSS)topology

MZI

Intersection

■ 32 x 32 silicon photonics switch integrated on control electronics

LGA pads0.5mm

0.3mm (min.)

Ceramic interposerSi-SW chip

10mm

After FC bonding

LGA socket

• Flip-chip package with LGA interposer • Driven by pulse width modulation with FPGAs• Polarization insensitivity, lower crosstalk and loss are now under development.

–On-chip loss: 15.8 ±1.0 dB–Crosstalk: < -20 dB in the operating bandwidth of 1.8 nm

1 bar-state SW 31 cross-state SWs (Trimming)

Path independent 15.8 ± 1.0 dB

Waveguide loss

Excess loss

10万ポート光スイッチシステムの規模感

• 19’ rack– 1U = W:48cm x H:5cm x D: 90cm– 42 U (H: ~2m)

• 32 x 32 Si Photonics SW Footprint– 9cm x 10cm → 5 x 9 pcs/1U– 45 x 42 = 1890 pcs/rack– ~ 12 kW per rack

• 100,000 x 100,000 fabric– 147,456 pcs of 32x32 SWs– 147,456 / 1890 = 78 racks (~ 1 MW)– Approximately 78 racks are required

… Less than 10% of all racks in mega DC (~1000 racks)

Si-photonic Matrix SW


光スイッチ導入のインパクト

• エクサスケールで、1,000分の1の超低電力– 電気スイッチだと、1GW級の電力– 光スイッチだと、わずか1~2MW程度で実現

• サーキットスイッチ– 全体を司る上位レイヤー（OS）との連携が必要

• 新しい光トランシーバ技術が必要– 光スイッチと互換：単芯シングルモードファイバ

• WDMと多値変調は、必至！！– 従来光インターコネクト比

• 10,000倍以上の伝送距離（~ 10m → > 100km）– 既存広域用光トランシーバ比

• 100倍の信号帯域（100G → 10T）• 数十倍の電力効率（400pJ/bit → 10pJ/bit）• 100分の1のフットプリント（100Gと同サイズ）


λ

Optical frequencycomb

Si-PhotonicsMatrix switch

DSP DAC/ADC

10-Tbit/sTRx

Memories

DSP DAC/ADC

10-Tbit/sTRx

Storage units

OutboundInboundDistributed comb

DSP DAC/ADC

10-Tbit/sTRx

Computing units

100,000 nodes

エクサスケール光ネットワーク技術への挑戦一例

17

ディスアグリゲーテッド・サーバーラック

シリコンフォトニクス・Exa-bit/sスイッチシステム

波長多重・多値変調10Tbps光インターコネクト

波長分波器

波長バンク（非線形光コム）・・

・

変調器波長合波器

光ファイバ

シリコンフォトニクス集積

波長バンク多重方式と多値変調により、帯域が伸縮自在

現状は、ファイバあたり～100Gbps

現状電気スイッチ容量：～1 Pbps → Ebps級へ

光コム発生・配信による波長バンクシステム


波長バンク方式

ディスアグリゲーテッドサーバーノード

メリット：

・温調と気密封止が不要

・高い波長精度

Baud rate (net)

Degree of multiplexing

Channel number

Channel spacing

Total Bandwidth

RequiredSNR/Q

28 (25) 2 (PAM4) 200 >50GHz > 80nm 20dB4 (DP-QPSK) 100 30-50GHz 24~40nm 15dB

8 (DP-16QAM) 50 30-50GHz 12~20nm 22dB12 (DP-64QAM) 33 30-50GHz 6~10nm 28dB

43 (40) 2 (PAM4) 125 >80GHz > 80nm 22dB4 (DP-QPSK) 63 50GHz 25nm 17dB

8 (DP-16QAM) 32 50GHz 13nm 24dB12 (DP-64QAM) 21 50GHz 9nm 30dB

56 (50) 2 (PAM4) 100 >100GHz ~40nm 23dB4 (DP-QPSK) 50 75GHz 30nm 18dB

8 (DP-16QAM) 25 75GHz 15nm 25dB12 (DP-64QAM) 17 75GHz 10nm 31dB

Should be < 15nmfor Si-SW passband

Should be < 30dBfor SNR marginSmaller is better

10Tbpsのための伝送方式検討


10Tbpsトランシーバに向けた基礎評価実験

K. Solis-Trapala et al., OECC2016.

Carrier # Total capacity

5 1.6Tbit/s

32 10.24Tbit/sCapable of transmission up to 320-km SSMF link

Comb generator

50GHz-spacing, 5-subcarrier44Gbaud Nyquist (α = 0.1)DP-16QAM superchannel

250 GHz (2nm)

1.76Tbit/s gross line rate(7.04bit/s/Hz)

(LN) (LN)

• Integrated dual-pol IQ modulator based on InP

• Commercially available• 35-GHz bandwidthλ

…

Co. Rx

Co. Rx

Co. Rx

(LO)

In

WSS

…

IQM

IQM

IQMOut

Distributed optical frequency comb

Multi-channelDSP

Matrix sw

itch … …

WSS

Mat

rix s

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h

… …

…

10Tbit/s parallelinterconnect

w/ Pol. Mux

w/ Pol. diversity

CPU

/ M

em /

Stor

age

Elastic & multi-degreeconfiguration

Network controller

DAC

sAD

Cs

(Source)

Address Encoder

1. Optical comb source based on cascaded LN modulators (IM + PM)2. Integrated IQ modulator based on InP3. 44Gbaud DP-16QAM, Nyquist of α = 0.14. Five Carriers

世界最高レベルのスペクトル密度達成


シリコン変調器の進捗

・PN構造付Si導波路、進行波型電極の設計完了し、光変調器の設計スキームを確立・高速光電子融合デバイス測定系の構築を完了し、変調器評価に活躍

・2’’ウエハーによる高効率型変調器の先行試作を完了し、高速高効率動作を確認静特性： VπL ~ 1V cm, 標準的なシリコン変調器の約2倍の高効率動特性： f3dB > 20GHz, 32 Gbps程度の高速変調が可能

変調動作は12.4 Gbpsまで確認（測定系の限界）・SCRでの標準型変調器の本格検討試作が進行中。6月末完成予定

2’’先行試作の概要

位相シフタ長：

3m

mチップ構成

周波数特性: > 20GHz

変調器

高速光電子融合デバイス測定系


Tran

smitt

ance

[5d

B/di

v]

SCRによる波長セレクタに関する検討• AWG基礎検討

– ナノワイヤ構造では、極限的位相調整が必要。

• 非対称マッハツエンダー干渉による可変波長フィルタ


w/ Phase controlHeaters

制御性良好だが、帯域とクロストークに課題

K. Suzuki, et al., OECC2016.

光スイッチ制御の簡素化に関する検討

• 送信側がアドレスを波長配置にマッピング• 各光スイッチがローカルに行先を判別

– 制御プレーンによる同期制御が不要– 25~40波で、10万以上のアドレス空間


1

10

100

1000

10000

100000

1000000

0 10 20 30 40

アドレス数

WDM波長数 (N)

M=4 M=8M=12 M=16

計算ノード

計算ノード

計算ノード

計算ノード

計算ノード

計算ノード

光スイッチ

光スイッチ制御回路

波長バンク（多波長光源）

分波器

合波器

Blocker array

Modulator array

Computing units/Memory units/Storage units

光送信器ユニット

計算ノード

ネットワークへ

光受信器ユニット

ネットワークから

波長を供給

光コム発生技術等で実現可能

＜多波長光源の配信＞光送信器ユニットの簡素化高速波長変更が容易偏波？

DEMUX DEMUX DEMUX DEMUX DEMUX

PD arrayControl circuit

・PDでは計算ノードからのデータ受信はなく波長の組合せのみを検知

計算ノード波長アドレス

１ λ1 λ2２ λ1 λ3３ λ1 λ4４ λ2 λ3５ λ2 λ4６ λ3 λ4

4波長中2波長にマークした場合

石井他、信学会総合大会2016

ポストムーア時代を拓くNW技術を創出するには

• エクサスケールNW全体の電力消費～10MW– ネットワーク：1Ebps＝10Tbps x 100,000ポート– スイッチシステム：光で

資源管理オープンソース運用

産総研拠点システム設計・伝送評価

シリコンフォトニクス製造基盤技術

SuperCleanRoom

パッケージ実装基盤技術

TIA連携棟光パスネットワーク・テストベッド

持続的発展を可能とするエコシステム造り

• 研究開発力を集約– 水平分業化が進み、弱体化する企業の国際競争力の増強

24

遠隔合奏

遠隔病理診断

産総研施設を駆使したシリコンフォトニクスによる光スイッチ

テストベッドを活用した

アプリケーションとのコラボ

ファウンドリへ展開

• 垂直統合で事業化支援– 研究試作から量産まで– デバイスからアプリケーションまで


AIST-Super Clean Room (SCR)

3,000 m2 floor area Cleanliness: Class 3 (< 103/m3) 12-inch SOI wafer 45-nm CMOS technology utilizing

ArF immersion lithography

Available for outsiders. http://unit.aist.go.jp/tiaco/orp/scr産総研 2014年「共用施設利用制度」制定


http://unit.aist.go.jp/tiaco/orp/scr

産総研共用施設利用制度

• 狙い：– 企業などにおける研究開発に関連した事業活動の活性化、産総研のオープンイノベーショ

ンハブ機能の強化

– つくばイノベーションアリーナナノテクノロジー拠点（TIA-nano）事業強化の一環– SCRの利用促進により、半導体関連企業などへの研究開発支援の充実と促進

• 利用対象：– LSI量産工場に匹敵し、国内公的研究機関では最大規模のスーパークリーンルーム（SCR）– SCRに設置されている約100台の半導体製造装置– 今後、産総研の研究成果が活用されている他の大型研究施設、特殊装置などにも適用の

範囲を広げていく予定

• 特長：1. 利用約款に基づいた申請・回答ベースの簡便な利用手続き2. 利用により発生した知的財産権は原則として利用者に帰属3. 明瞭な秘密情報管理ルールの遵守4. 単価表ベースによる利用料金で、利用コストの見通しが容易

https://unit.aist.go.jp/tia-co/orp/index.html


シリコンフォトニクス・ファンドリ・サービス構想

• エコシステム構築へのステップ

産総研SCR

PHOENICSにおける産総研

電子光技術研究部門の役割

試作依頼技術移転

共用施設利用制度

ファウンドリ―仲介企業

共用施設利用制度

技術移転先企業

取引

エンド顧客

異種ファブを統合するワンストップ光EMS会社

取引

PHOENICS活動


コンソーシアムによる、国内光デバイス11社の協業

光デバイス基盤技術イノベーション研究会(産総研コンソーシアム)PHOENICS (PHOtonics ENgineering Innovation ConSortium)

• 目的– 日本の光デバイス産業の国際競争力を強化するため、散在する基盤技術を結集

する最適な方法を検討

– 光デバイス設計・実装共通基盤の整備により、将来の光デバイスのファブを、バーチャルに実現

– 国プロなどを経て、光デバイスのワンストップEMS会社の設立へ• 期間

–2015年4月1日から3年間(コンソーシアム設置期間)–並行して事業化へ展開

機能B

Si フォト回路

プラットフォーム

機能A

機能C

機関A

機関B機関C

機関D機関X

・・・


• バーチャルファブ、ブローカ会社– プラットフォーム標準化– ハイブリッド実装時の設計・品証– 責任分界点の設計– C-POTインターフェース規格

ハイブリッド集積デバイスエコシステム・イメージ

SCR製造ライン

IME/IMEC/AIM-

Photonics?

PLC III-V-1III-V-

2 Assy. Pkg.DRVTIA

ファンドリ窓口

ブローカ会社

・・・・・・・・・

顧客顧客・・・

多産業、国プロ、民間、さまざまな活動による操業資金の按分


目指すべき持続発展可能なエコシステム（~2030）

• 垂直融合体制において、研究試作から量産まで、シームレスなファブ環境– 日本だけでなく、グローバルな規模も視野


まとめ：ハードウエアの回帰と千載一遇の機会

• ポストムーア時代＝ Game Changerの台頭– ネットワークとコンピュータが融合する新しい情報産業が形成される– アーキテクチャからデバイスまで含めたホリスティックなシステムの最適化が必要– 光スイッチによる、光ネットワークの飛躍的大容量化が鍵

• ハードウエア時代の再来：– シリコンフォトニクスなどによる、高度なハイブリッド実装技術と量産効果による低

コスト化の両立が鍵である

– ファブによる製造の集約やエコシステム造りが世界規模で必要– 産総研コンソーシアム「PHOENICS」では、散在する光デバイス技術を再編し発

展させ、バーチャルファブを構築することによって、日本の高い光デバイス技術を結集し、世界的競争力を確保していく検討を実施中

• 世界の新しい情報産業にとって不可欠となる光デバイス基盤技術を日本が担っていく


超高集積・超広帯域光ネットワーク本日の講演内容研究体制：データフォトニクスプロジェクトユニットIoTビッグデータ：情報化から知識化社会へ従来スイッチ技術のさらなるスケールは困難計算機のさらなるスケールが困難にディスアグリゲーションへの期待ディスアグリゲーションを司る、新しいコンピューティングSwitches: photonics vs. electronicsLet’s talk about Exa Scale..光トランシーバ、インタコネクト速度の推移10万ポートのための、多段Clos Networks産総研のシリコンフォトニクス光スイッチ開発状況32×32 シリコンフォトニクス・スイッチ 10万ポート光スイッチシステムの規模感光スイッチ導入のインパクトエクサスケール光ネットワーク技術への挑戦　一例10Tbpsのための伝送方式検討10Tbpsトランシーバに向けた基礎評価実験シリコン変調器の進捗SCRによる波長セレクタに関する検討光スイッチ制御の簡素化に関する検討ポストムーア時代を拓くNW技術を創出するには持続的発展を可能とするエコシステム造りAIST-Super Clean Room (SCR)産総研　共用施設利用制度シリコンフォトニクス・ファンドリ・サービス構想コンソーシアムによる、国内光デバイス11社の協業ハイブリッド集積デバイス　エコシステム・イメージ目指すべき持続発展可能なエコシステム（~2030）まとめ：ハードウエアの回帰と千載一遇の機会

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超高集積・超広帯域光ネットワーク...超高集積・超広帯域光ネットワーク 研究開発法人産業技術総合研究所 電子光技術研究部門／データフォトニクスプロジェクトユニット

超高集積・超広帯域光ネットワーク...超高集積・超広帯域光ネットワーク研究開発法人産業技術総合研究所電子光技術研究部門／データフォトニクスプロジェクトユニット